纳米尺度下切削过程的准连续介质力学模拟

采用准连续介质力学方法模拟了镍单晶体刀具在单晶铜工件上的切削过程,深入分析了切削过程中的能量演化?应力场变化和原子位移情况等因素.结合切削过程中位错滑移等塑性行为和原子径向分布理论,揭示了切屑产生的机理,证实了切削过程中已加工表面和体相晶体结构的非晶态变化是切屑产生的主要原因.通过对纳米切削过程不同阶段的模拟表明:刀具的耕犁作用下剪切带的形成和扩展是切屑形成的初始阶段;变质层的产生是纳米切削的中间阶段并构成了加工表面组织;储存在变形晶格中的变形能超过一定值时,晶格被打破,形成非晶态结构是切屑形成的最终阶段.     

高速切削实验平台在力学实验教学中的应用

传统的力学实验已无法满足研究生创新性实验教学的需要。为了使研究生在科学研究中掌握实验分析的基本方法和技能,本文基于Hopkinson压杆加载技术建立了一套高速切削实验系统。该实验系统作为一个科研平台,能够实现切削过程的瞬态冻结并完成变形场和切削力的实时测量,可为高速切削机理研究提供基础实验数据。同时,该实验系统也是一个综合性的实验平台。基于该平台,可以完成金相分析、光栅光纤测力、变形场测量以及塑性本构分析等力学实验教学。高速切削实验平台将力学实验与科学研究相结合,有利于培养研究生独立分析与研究的能力,为研究生未来的科研工作打下基础。     

基于坐标变换的斜角切削力学研究

在直角切削模型的基础上,首先将在法平面坐标系中得到的切削力通过坐标变换得到主剖面坐标系中的切削力;再把主剖面坐标系中的切削力利用坐标变换得到切深-进给平面中的切削力理论公式。通过坐标变换得到的切削力理论公式更简洁,物理意义清晰,并能反映出切削偏角对切削力的影响。通过对数值计算与数值仿真两种方法模拟得到的切削力进行比较,得出两者的误差率在8.3%~15.7%,说明两者具有良好的一致性,从而证明了模型的正确性。斜角切削力的理论公式为实际切削加工中切削力的解析预测奠定了基础。     

深井/超深井开窗钻头切削齿切削力学分析

针对深井/超深井套管开窗侧钻的特殊性问题中所研究设计的双作用强侧切开窗钻头的结构特点,基于金属切削理论、开窗钻头与布齿规律,建立了开窗钻头切削齿切削力学模型,推导出开窗钻头的几何学方程,完成了切削齿切削力学模型的求解;最后使用本文研制的双作用强侧切开窗钻头进行套管开窗实验,对切削齿切削力学计算模型、仿真结果进行验证。结果表明:在开窗钻头切入套管的初始阶段,仿真计算得到的主切削力比实验所得数据略大,在中间阶段略小,到后期又略大;仿真计算结果能够准确地反映主切削力的变化规律,基本能满足工程应用的要求。本文研究结果为开窗钻头切削力的分析计算提供了理论依据,为深井/超深井套管开窗钻头的设计及切削力学研究提供参考。     

单晶硅智能切削退火至开裂过程中氢离子、晶体缺陷和应力演化的分子动力学研究

利用分子动力学模拟了智能切削技术中的离子注入过程和退火至开裂过程，重点研究退火至开裂过程中注氢单晶硅微纳尺度下的开裂行为，以及氢原子数目、硅晶体缺陷大小和平均正应力等参数沿注入方向分布的演化规律.研究结果表明：硅晶体开裂经历空位点缺陷形核和生长，但无明显的空隙缺陷局部扩展、空位缺陷生长并引起显著的空隙缺陷局部扩展、空隙缺陷Ostwald生长等三个阶段.开裂位置与注入过程后氢原子分布的浓度峰重合.在三个阶段中，由于氢扩散和变形的影响，氢原子、晶体缺陷和应力的分布随退火至开裂过程进展呈现不同的演化特性.此外，化学成键分析表明氢与硅发生化学反应，形成不同形式的硅氢化合物，退火至开裂过程中硅氢化合物将发生转化.论文建立的系统定量分析智能切削中晶片开裂的数值方法，可进一步用于智能切削技术的改进和优化.     

金属切削过程中的分叉与突变现象：兼论切削过程的可控性问题

通过理论分析，预测出在金属切削过程中存在在分叉与突变现象，基根源在于切削过程的强烈的非线性，这一发现超出人们对于切削过程的传统认识与理解，可是却得到实验事实的充分验证。     

高速铣削难加工材料时硬质合金刀具前刀面磨损机理及切削性能研究

采用涂层硬质合金刀具和细晶粒硬质合金刀具对超高强度合金钢(硬度＞50HRC、抗拉强度σb＞1.4 GPa)和马氏体不锈钢(硬度＞30HRC)等难加工材料进行了干式高速端面铣削试验;选择刀具寿命作为刀具切削性能的评价指标,利用X射线能谱仪和扫描电子显微镜分析了硬质合金刀具前刀面的磨损形态、磨损机理以及刀具的切削性能.结果表明:在难加工材料的高速铣削过程中,涂层硬质合金刀具主要失效形式为前刀面磨损,细晶粒硬质合金刀具主要失效形式为前刀面月牙洼磨损与剥落;2种刀具的主要磨损机理均为扩散磨损和氧化磨损.对细晶粒硬质合金刀具而言,在考虑刀具材料与工件材料适配性的基础上,必须利用合理的刃口强化处理来降低磨损初期的刃口微崩刃倾向.     

切削刀具刃口带有负倒棱时剪切角的理论计算

本文根据试验观察,提出了刀具刃口带有负倒棱时的切削模型。在这个模型中,刀具刃口存在一个金属死区。以新模型为基础。对切削过程中刀具刃口处消耗的能量进行了理论分析与公式推导,并根据最小能量原理对重要参数——剪切角进行了理论计算。所作工作的特点是:在能量分析中计入了被挤压层金属通过刀具刃口时消耗的过剩变形能;进行有关材料变形与物理特性的计算时,考虑了温度与应变率的影响。利用新研制的在线显微摄影装置进行验证试验的结果表明,理论计算与实际取得了很好的一致。     

TiB2增强Al2O3陶瓷刀具高速干切削摩擦磨损性能

采用TiB2增强Al2O3陶瓷刀具对淬硬钢进行高速干切削试验,利用切削高温作用下的摩擦化学反应,在刀具表面原位生成具有润滑作用的反应膜,从而实现Al2O3/TiB2陶瓷刀具的自润滑.结果表明:低速干切削时,Al2O3/TiB2陶瓷刀具的磨损机制主要表现为粘着磨损和磨料磨损;而在高速干切削时,刀具的磨损机制主要表现为氧化磨损,刀具表面经由氧化反应生成具有润滑作用的反应膜而起到固体润滑作用,从而使刀具的耐磨性能提高,随着TiB2含量和切削速度的增加,反应膜的减摩抗磨作用增强;而在切削区通入氮气时,由于刀具表面氧化膜形成受阻,刀具的抗磨能力有所降低.     

高速切削动力学的研究

本文从切屑形成过程动力学观点研究了金属切削过程。这一过程既含有机械系统动力学的各要素,又有介质动力学的各要素。用计算机模拟确定了高速条件下切屑流质动量变化率引起的切削力增量对车削颤振的影响。分析结果与现有事实一致。